[논문 리뷰] Highly selective chiral discrimination in high harmonic generation by dynamical symmetry breaking spectroscopy

Ofer Neufeld, Oren Cohen|Figshare|2018. 07. 07.

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies참고 문헌 57인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 고조화성 발현(HHG)에서 동적 대칭성 붕괴를 이용한 매우 선택적이고 단일 촬영(single-shot)의 광학적 비대칭성 구분 방법을 제안한다. 대칭성으로 금지된 고조화성의 강도 차이를 이용하여, 이는 직접적으로 대칭성의 비대칭성과 관련되어 있으며, 허용된 고조화성은 비대칭성에 민감하지 않은 기준으로 사용된다. 기체상에서의 시뮬레이션 결과, 이 방법은 96%의 구분 성능를 달성하였으며, 이는 이전의 시간 해상도가 있는 기법들보다 뛰어나다.

ABSTRACT

We propose and numerically demonstrate a new very robust and highly selective method for femtosecond time-resolved chiral spectroscopy using high harmonic generation (HHG). The method is based on dynamical symmetry breaking from chiral media, and relies only on intense electric-dipole transitions, and not on the interplay of electric and magnetic dipoles. The symmetry breaking results in the emission of a strong chiral signal in the form of otherwise 'forbidden' harmonics (i.e., that are not emitted from achiral media). The intensity of these symmetry-forbidden harmonics is directly correlated to the media's enantiomeric excess, yielding chiral selectivity. On the contrary, the strength of the 'allowed' harmonics is chiral-independent, hence they can be used as a reference to provide chiral selectivity from a single measurement, unlike previous time-resolved schemes that require multiple measurements. We demonstrate numerically 96% discrimination level from microscopic gas phase emission, outperforming by far previous time-resolved methods (the selectivity should be further enhanced when the HHG process is phase matched). We expect the new method to give rise to precise table-top characterization of chiral media in the gas-phase, and for highly sensitive time-resolved ultrafast probing of dynamical chiral processes.

연구 동기 및 목표

• 기체상에서 초고속 비대칭성 분류를 위한 강력하고 단일 촬영 기법을 개발한다.
• 다중 측정이 필요한 이전의 시간 해상도 비대칭성 분광법의 한계를 극복한다.
• 고조화성 발현을 이용해 동적 비대칭성 과정을 정밀하고 실시간으로 탐측할 수 있도록 한다.
• 자기 dipole 상호작용에 의존하지 않고 전기 dipole 전이에만 기반하여 높은 선택성을 확보한다.
• 대칭성으로 금지된 고조화성이 직접적이고 정량적인 대칭성 과잉 측정 수단으로 기능할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 강한 몇 주기 레이저에 의해 자극된 비대칭성 매질에서의 동적 대칭성 붕괴를 이용한다.
• 비대칭성에 의해 공간 역행 대칭성이 깨지면서 이전에는 '금지된' 고조화성이 생성된다.
• 이러한 대칭성으로 금지된 고조화성의 강도는 비대칭성 매질의 대칭성 과잉과 직접적으로 관련된다.
• 동시에 비대칭성에 영향을 받지 않는 '허용된' 고조화성은 신호를 정규화하고 단일 촬영 정량 분석을 가능하게 하는 내부 기준으로 기능한다.
• 이 방법은 자기 dipole 기여의 복잡성과 모호함을 피하기 위해 전기 dipole 전이만을 사용한다.
• 미세한 기체상 시스템에서의 수치 시뮬레이션을 통해 비대칭성 선택성과 신호 대 잡음 특성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비대칭성 매질에서의 동적 대칭성 붕괴가 고조화성 발현에서 측정 가능하고 선택적인 신호를 생성할 수 있는가?
• RQ2 대칭성으로 금지된 고조화성이 단일 측정에서 대칭성 과잉의 직접적 탐측 수단으로 기능할 수 있는가?
• RQ3 이 방법의 선택성은 기존의 시간 해상도 비대칭성 분광법 기법들과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 실제 기체상 시스템에서 대칭성으로 금지된 고조화성의 신호가 배경 및 잡음으로부터 얼마나 잘 구분될 수 있는가?
• RQ5 이 방법은 위상 일치나 복잡한 간섭계 설정 없이도 높은 선택성을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 기체상 비대칭 분자의 수치 시뮬레이션에서 이 방법은 이르기 96%의 이르기 분류 성능를 달성한다.
• 대칭성으로 금지된 고조화성은 비대칭성 매질에서만 강하게 나타나며, 이는 대칭성 과잉의 직접적이고 선택적인 신호를 제공한다.
• 허용된 고조화성의 강도는 이르기 사이에서 변화하지 않으며, 이는 강력한 내부 기준으로 사용될 수 있음을 의미한다.
• 이 기법은 본질적으로 단일 촬영이므로, 다중 측정이나 복잡한 시간 정렬이 필요 없다.
• 고조화성 발현이 매크로스코픽 매질에서 위상 일치될 경우 선택성은 더욱 향상될 것으로 예상된다.
• 이 방법은 전기 dipole 전이에만 의존하므로 실험적 구현을 단순화하고 내구성을 향상시킨다.